KR100274435B1 - 베어링의고체윤활피막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링의 고체윤활피막 형성방법에 관한 것으로서, 베어링의 모재에 황화철을 도금한 다음, 상기 황화철의 층이 형성된 모재에 황화물계 고체윤활제를 코팅하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 고체윤활피막 형성방법에 의하면, 황화철에 의해 모재와 고체윤활피막사이의 밀착력이 증대되고, 모재에 도금된 황화철이 자기윤활특성을 지니고 있어 고체윤활피막이 박리되어도 윤활성을 유지하므로,진공분위기에서 베어링이 사용될 시 윤활특성과 내구성이 향상되어 베어링으로서의 성능이 향상된다.

Description

베어링의 고체윤활피막 형성방법{solid lubricant coating method of bearing}

본 발명은 베어링의 고체윤활피막 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 진공분위기에서 사용되는 베어링의 고체윤활피막 형성방법에 관한 것이다.

일반적으로 진공장치나 우주항공분야등 진공분위기에서 그리이스나 오일등을 윤활제로 채용한 베어링을 사용하게 되면, 운전중에 베어링에 발생하는 이물질과 가스가 진공분위기의 오염원으로 작용하여 진공에 나쁜 영향을 끼치게 된다. 특히, 진공상태에서 제품을 생산해야 하는 경우에는 이러한 악영향이 제품의 품질을 저하시키는 원인이 되어 왔다.

따라서, 종래에는 진공분위기에서 사용되는 베어링(예를 들면, 구름베어링)은 내륜, 외륜, 리테이너, 및 볼등의 표면위에 건식 도금기술을 사용하여 고체윤활제(예를 들면, MoS_2,WS_2,PTFF, Ag, Au, Pb등) 피막층을 형성하여 윤활작용을 하도록 제조되었다. 즉, 종래에는 고체윤활제를 공지의 물리기상증착(PVD : Physical Vapor Deposition)방법이나 화학기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)방법을 사용하여 베어링의 궤도부 표면(내륜, 외륜, 리테이너 및 볼의 표면)에 코팅하였다.

이와같이, 고체윤활제를 피막한 베어링은 이물질등이 생기지 않으므로, 진공분위기에서 윤활성과 내마모성을 가지면서 진공 환경을 오염하지 않아 진공분위기에서 제조되는 부품의 품질을 향상시켜 왔다.

그런데, 이와 같은 방법으로 고체윤활제를 코팅한 종래의 베어링은 그 성능과 내구성이 양호하지 못하였다.

즉, 고체윤활제를 코팅한 베어링은 고체윤활피막의 특성 및 종류에 의해서 그 윤활성 및 내마모성이 결정되는데, 종래에는 고체윤활피막의 형성시에 모재(베어링)에 바이어스(bias : negative)를 인가하여 코팅되는 입자들의 운동에너지를 증가시켜서 모재와 고체윤활피막과의 밀착성을 향상시키거나, 코팅조건등을 변화시켜서 피막의 특성을 향상시키는 등 고체윤활피막의 특성에 의해 베어링의 내마모성과 윤활성을 증가시켜 왔으나, 이러한 방법에 의한 내마모성의 향상과 윤활성의 향상은 한계가 있었다.

특히, 종래의 방법에 의해 고체윤활피막이 코팅된 베어링은 고체윤활피막이 박리되면 베어링의 수명이 다하므로, 인공위성등의 우주항공분야에서는 더욱 성능과 내구성이 양호한 베어링이 요구되어 왔다.

따라서, 본 발명은 이러한 요구에 부응하고 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 윤활성과 내마모성이 뛰어나고 피막이 박리되어도 윤활작용을 계속하여 베어링의 성능과 수명을 향상시키는 베어링의 고체윤활 피막 형성방법을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 의한 베어링의 고체윤활피막 형성방법에 사용되는 장치의 일부를 도시한 개략도,

도2는 베어링 시험편을 사용하여 소정의 회전수마다 측정한 마찰계수를 비교하여 나타낸 그래프,

도3은 고체윤활피막을 형성한 베어링의 토오크 시험에 사용되는 시험장치의 개략도,

도4는 고체윤활피막을 형성한 베어링의 운전시간에 따른 토오크를 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명에 의한 베어링의 고체윤활피막 형성방법은 베어링의 모재에 황화철을 도금하는 황화철 도금공정과, 상기 황화철의 층이 형성된 모재에 황화물계 고체윤활제를 코팅하는 고체윤활제 코팅공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 모재는 베어링강이나 마르텐사이트계 스테인레스강인 것이 바람직하다

그리고, 상기 황화철 도금공정에 의한 모재의 경도저하를 막도록 황화철 도금공정 전단계에서는 모재에 담금질 및 뜨임하는 열처리를 하는 것이 바람직하다.

상기 열처리의 뜨임온도는 300 ~ 350⁰C로 하는 것이 바람직하다.

상기 황화철은 염욕중에서 습식으로 도금처리한다.

그리고, 상기 황화철 도금공정에서는 공정중 수소취성이 생기지 않도록 염욕중에 수소이온을 함유하지 않는 양극반응에 의하여 황화철이 도금되도록 한다.

이때, 온도 170 ~ 210⁰C 의 알카리티오시안기염의 욕조에서 전류밀도 2 ~ 5A/m²를 인가하고 10 ~ 30분간 양극전해를 시켜 두께 1~4 미크론의 황화철의 층이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

상기 황화철 도금공정 다음에는 황화철의 층이 형성된 모재를 세척하는 전처리 공정을 거쳐 상기 고체윤활제 코팅공정을 행하는 것이 바람직하다.

상기 고체윤활제 코팅공정은 물리기상증착(PVD : Physical Vapor Deposition)방법으로 진공조안에서 행하게 되는데, 고체윤활제는 MoS₂등의 황화물계를 사용하며 그 코팅두께는 0.5 ~ 2 미크론으로 한다.

상기 고체윤활제의 코팅시 작업압력은 8 ~ 12 mtorr인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

본 발명의 실시예 1에 사용되는 모재는 베어링강이나 마르텐사이트계 스테인레스강으로서, 그 크기는 외경 60mm, 내경 30mm, 두께 5mm이다.

상기 베어링강은 STB2로서, 그 조성은 C: 0.95~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.5%이하, P: 0.02%이하, Cr: 1.30~1.60%이하로 되어 있고, 상기 마르텐사이트계 스테인레스강은 SUS 440C로서, 그 조성은 C: 0.95~1.20%, Si: 1%이하, Mn: 1%이하, P: 0.04%이하, Cr: 16~18%로 되어 있다.

먼저, 상기 모재는 열처리를 하게 되는데, 베어링강일 경우 온도 840⁰C에서 30분간 유지한 후, 100⁰C의 오일중에서 냉각하는 담금질을 실시한 다음, 300⁰C에서 2시간 동안 뜨임을 한다.

한편, 마르텐사이트계 스테인레스강의 경우는 온도 770⁰C에서 30분간 예열을 하고 1040⁰C로 가열하여 15분간 유지한 후, 100⁰C의 오일중에서 냉각하는 담금질을 실시한 다음, 350⁰C에서 1시간 동안 뜨임을 한다.

이와 같은 열처리에 의하면, H_RC 56 ~ 62의 경도를 얻을 수 있다.

다음에, 상기한 바와 같이 열처리된 모재에 황화철을 도금하게 되는데, 도1에 도시한 바와 같이, 원통형의 스테인레스강재로 된 도금조(11)와, 전원을 공급하며 정전압정전류의 조절이 가능한 전원공급기(13)와, 도금조(11)에 담긴 액을 가열하도록 상기 도금조(11)의 하측에 설치된 가열장치(15)와, 상기 도금조(11)내의 액의 온도를 조절하는 온도조절기(17)로 이루어진 도금장치(10)를 사용한다.

상기 도금조(11)의 크기는 직경 150mm, 높이 250mm로 되어 있고, 상기 전원공급기는 상기 도금조내에 직류를 공급하는 직류공급기로 되어 있다.

상기 열처리된 모재는 연마한 후, 산세(산성액으로 세척), 수세(물로 세척), 중화(산성액 또는 알카리성액을 섞어 중성화함)등의 전처리를 하여 모재표면의 오염원을 제거한 다음, 도1에 도시한 바와 같이 전해액이 담긴 도금조(11)의 내부에 모재(S)를 넣는 한편 모재에는 양극을 인가하고 전극(P)에는 음극을 인가한다.

이때, 전해액은 알카리티오시안기염(KSCN 70~80% + NaSCN 20~30%)을 사용하며, 180~200⁰C의 온도에서 3~4A/dm²의 전류로 10 ~30분 정도 양극전해를 행하여 모재표면에 두께 2.5 ~ 3 미크론의 황화철을 확산 형성시킨다.

상기 전해반응중에는 음극에서 알카리금속이 석출하게 되고, 양극에서 산화현상이 발생하여 황이온(S^-)이 생기고 모재의 활성화된 표면에서 반응하여 황화철이 생성되므로 모재의 표면에 도금된다. 상기 양극반응은 수소이온을 함유하지 않으므로 모재에 수소취성이 생기지 않는다.

다음에, 황화철이 도금된 모재는 표면의 오염원을 제거하기 위해 세척한 후, 진공조(Vacuum chamber)안에 장착하여 고체윤활제인 MoS₂를 적층코팅한다.

이때, 진공조내에서 고체윤활제를 코팅할 때는 먼저 이온에칭을 행하여 모재에 흡착된 오염원을 재차 제거한 다음, MoS₂타켓(순도99%, 4인치 크기)을 사용하여 작업압력 10mtorr로 하고 타켓과 모재와의 거리는 60mm로 하며 전력 150W로 10분간 스파터링(sputtering)하여, 두께 1 미크론 정도의 MoS₂피막을 형성시킨다. 상기 스파터링은 공지의 RF Magnetron Sputtering 방법을 사용한다.

[시험예 1]

본 시험은 상기 실시예의 방법으로 고체윤활피막을 형성한 구름베어링의 효과를 알기 위해 마찰계수 시험을 실시한 것이다.

시험조건

1) 시험기기 : 볼 온 디스크 타입(Ball-on-Disc Type 시험기)

2) 시험 환경 : 대기중

3) 베어링 속도 : 슬라이딩 스피드 0.1mm/s

4) 시험 하중 : 1N

도2는 상기 시험조건에서 다음과 같은 4개의 시험편을 사용하여 소정의 회전수(Cycle)마다 측정한 마찰계수(Coefficient of friction)를 비교하여 나타낸 그래프이다.

시험편의 종류

종류	모재 재질	황화철 도금층	MoS2코팅	MoS2코팅시 작업압력	비고
시험편 1	SUS 440C	무	유	5 mtorr
시험편 2	STB 2	무	유	5 mtorr
시험편 3	STB 2	유	유	10 mtorr
시험편 4	SUS 440C	유	유	10 mtorr

도2에서 나타낸 바와 같이, 황화철을 도금하지 않은 SUS 440C재 또는 STB재로 된 모재위에 MoS₂를 적층 코팅한 베어링의 마찰계수는 5 x 10⁶cycles 동안 평균적으로 0.2 ~ 0.25 정도를 유지하고 있으나 계속 베어링이 회전하면 마찰계수가 0.5로 급상승하게 된다.

이에 반해, 황화철을 도금한 SUS 440C재 또는 STB재로 된 모재위에 MoS₂를 적층 코팅한 베어링의 마찰계수는 5 x 10⁷cycles 동안 평균적으로 0,1 ~ 0.15 정도를 유지하고 있으며 계속 베어링이 회전하여도 0.25정도의 마찰계수를 나타내고 있다.

이와같이 황화철을 도금한 SUS 440C재 또는 STB재로 된 모재위에 MoS₂를 적층 코팅한 베어링은 고체윤활피막과 황화철이 도금된 모재와의 코팅시 밀착력이 증가하여 고체윤활피막의 내구성은 더욱 향상되었음을 알 수 있고, 고체윤활피막의 수명이 다하여도 황화철 도금에 의해 윤활성 유지효과가 지속적으로 나타남을 알 수있다.

그리고, MoS₂를 적층 코팅할 시 적절한 작업압력 즉, 10 mtorr 내외의 압력을 유지함에 의해 그 마찰계수가 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 이 작업압력에 의한 윤활성향상은 다른 조건을 모두 동일하게 하고 작업압력을 5 mtorr 및 10 mtorr로 바꾸어 시험함에 의해 확인되었다. 이는 작업압력이 다르면 코팅박막의 미세조직이 달라지는 현상에 따른 것으로 추론된다.

한편, 보고에 의하면, 대기중에서 시험한 마찰계수의 값이 진공중에서 시험한 마찰계수값보다 10배가 증가함을 감안하면, 본 시험에서 나타난 마찰계수의 값은 실제 진공중에서 사용시 1/10로 줄어 들게 된다.

[시험예 2]

본 시험은 상기 실시예의 방법으로 고체윤활피막을 형성한 구름베어링의 효과를 알기 위해 토오크 시험을 실시한 것이다.

본 시험에 사용된 시험장치는 도3에 도시한 바와 같이 그 일단의 축에 베어링(B)이 장착되어 회전하는 모터축을 가진 모터(21)와, 상기 베어링(B)에 원주방향의 힘을 가하여 그 토오크의 변위를 감지하는 로드셀(23)과, 상기 로드셀(23)에 의해 감지된 변위를 증폭하는 증폭기(25)와, 상기 증폭기(25)에서 증폭된 변위량을 기록하는 데이터 로거(27)로 이루어져 있다.

시험조건

1) 시험장치 : 도3에 도시

2) 시험 환경 : 대기 및 상온중

3) 시험 하중 : 원주접선 방향 10N

시험방법

코팅된 베어링의 내,외륜을 공차가 15 ~ 20 미크론 정도인 C급으로 조립하여, 외륜을 상기 로드셀(23)에 고정하고 내륜을 상기 2300rpm으로 회전시키면서 베어링에서 발생하는 토오크의 변화량을 데이터로거(27)로 실시간으로 기록한다.

도4는 상기 시험조건 및 방법으로 상기 시험예 1에서 사용한 4개의 시험편으로 시험하여 운전시간(min.)에 따른 토오크(N/cm)를 비교하여 나타낸 그래프이다.

도4에서 나타낸 바와 같이, 황화철을 도금하지 않은 SUS 440C재 또는 STB재로 된 모재위에 MoS₂를 적층 코팅한 베어링은 300분 까지 토오크값이 일정하게 유지되지만 그 이후에 급격히 증가됨을 알수 있다. 이는 베어링의 궤도부위에 코팅된 MoS₂가 모두 이탈되어서 상실되었기 때문이다.

이에 반해, 황화철을 도금한 SUS 440C재 또는 STB재로 된 모재위에 MoS₂를 적층 코팅한 베어링은 450분까지 토오크값이 일정하게 유지되고, 그 이후에도 토오크의 급격한 증가현상이 발생하지 않으며, 토오크가 약 700분 까지 서서히 증가함을 알 수 있다. 이는 고체윤활피막과 황화철이 도금된 모재와의 코팅시 밀착력이 향상되어 베어링의 회전시에 고체윤활제 즉, MoS₂의 윤할성 유지시간이 증가되었기때문이며, 계속적으로 일정한 토오크 값을 유지할 수 있는 것은 고체윤활피막이 상실되어도 황화철 도금된 베어링이 윤활성을 지녀서 소정의 시간동안은 급격하게 토오크가 증가되지 않음을 알 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 황화철 도금된 베어링에 고체윤활제를 코팅하는 본 발명의 고체윤활피막 형성방법에 의하면, 베어링의 윤활성과 내마모성이 뛰어나고 피막이 박리되어도 윤활작용을 계속하여 베어링의 성능과 수명을 향상시킨다.

Claims (8)

1. 베어링의 모재에 황화철을 도금하는 황화철 도금공정과, 상기 황화철의 층이 형성된 모재에 황화물계 고체윤활제를 코팅하는 고체윤활제 코팅공정으로 이루어지되,

   상기 황화철은 염욕 중에서 습식으로 도금처리하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 황화철 도금공정에서는 공정중 발생하는 수소취성이 생기지 않도록 염욕중에서 수소이온을 함유하지 않는 양극반응에 의해 황화철이 도금되도록 하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 황화철의 도금은 온도 170 ~ 210⁰C의 알카리티오시안기염의 욕조에서 전류밀도 2 ~ 5A/m²를 인가하고 10 ~ 30분간 양극전해를 시켜 황화철의 층이 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.
4. 제1항, 제2항 및 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 황화철의 도금두께는 1 ~ 4 미크론으로 형성하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 황화철 도금공정 다음에는 황화철의 층이 형성된 모재를 세척하는 전처리 공정을 거쳐 상기 고체윤활제 코팅공정을 행하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법
6. 제1항에 있어서,

   상기 고체윤활제 코팅공정은 물리 기상증착(PVD : Physical Vapor Deposition)방법으로 진공조 안에서 행하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법
7. 제6항에 있어서,

   상기 고체윤활제의 코팅시 작업압력은 8 ~ 12 mtorr인 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.
8. (정정) 제1항, 제6항 및 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 고체윤활제의 코팅두께는 0.5 ~ 2 미크론으로 하는 것을 특징으로 하는 베어링의 고체윤활피막 형성방법.